钢结构柱脚分类特点与适用范围.docx

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钢结构柱脚分类特点与适用范围

天津大学网络教育学院

专科毕业论文

题目：

钢结构柱脚分类、特点与适用范围

完成期限：

2014年1月3日至2014年5月5日

学习中心某某某年级2010级

专业某某某某指导教师某某某

姓名某某某学号102000000000

摘要

目前，钢结构建筑发展迅速。

在钢结构建筑中，构件的承载力虽然重要，但是节点部位对结构的安全性尤为重要。

其中最重要的节点部位就是梁柱节点和柱脚节点，这两种节点若有一个出现问题，将会对建筑结构造成很大的损失，所以在设计中对于钢结构的节点形式的选择和构造处理方法尤为重要。

本文从钢结构柱脚的分类形式入手，对不同形式的柱脚进行了分析，分别从受力特点、构造方式等方面进行比较。

最后结合选择柱脚形式时应考虑的各方面因素，给出了选择钢结构柱脚形式的建议。

关键字：

钢结构；外露式柱脚；外包式柱脚；埋入式柱脚

钢结构柱脚分类、特点与适用范围

一、引言

目前，钢结构建筑发展迅速。

在钢结构建筑中，构件的承载力虽然重要，但是节点部位对结构的安全性尤为重要。

其中最重要的节点部位就是梁柱节点和柱脚节点，这两种节点若有一个出现问题，将会对建筑结构造成很大的损失，所以在设计中对于钢结构的节点形式的选择和构造处理方法尤为重要。

但多年来人们对梁柱的节点连接比较重视，而对柱脚节点连接形式及构造重视不足。

因此，我们要对柱脚节点形式的选用和设计原则有个概念性的把握。

对钢结构的柱脚而言，不是指柱构件下端，而是指最下层柱构件的下端和基础混凝土的连接部分。

柱脚是将最下层柱下端所受的轴力、弯矩、剪力有效地传递给基础。

柱的柱的下端的作用是固定在底座上，和内力轴传递到基础。

根据应力性能列的不同可分为刚接和铰接。

一般来说，多铰柱轴压柱，承受轴向力和剪切力，并与多个刚性节点偏心受压柱，承受轴向力，剪力和弯矩。

其中，刚性节点可以采用嵌入式，外包，暴露，埋葬了整个组件的类型被称为插入式；铰接塔可以实现外包的形式暴露。

根据不同的方法，嵌入式结构，外包是铸造；暴露，插接式组装式。

本文将对埋入式、外露式和外包式及插入式的特点及适用范围进行详细论述。

二、埋入式

柱截面钢柱底是相当于一个高度掩埋的刚度较大的地下室墙体或基础梁混凝土的两倍长，周围的钢筋混凝土。

埋入式柱脚一般有两种形式，一种是第一钢柱组件固定，在浇注钢筋混凝土基础梁；另一个是保留在混凝土地基梁钢柱孔，后安装钢柱，再浇灌混凝土（图1）。

图1埋入式柱脚构造

（一）特点

埋入式柱脚，和其他两种柱脚形式相比固定度较高，承载力的确保比较容易。

如果将钢柱设计成先行屈服，其恢复力特性呈现稳定的完全弹塑性。

其缺点，是埋

入式柱脚埋入基础中的钢柱长度要增加，并且基础梁的宽度内的主筋不能与插入的钢柱相交而扩展或弯曲成斜筋等。

另外，必须在基础梁配筋之前先行设置钢柱脚，所以钢结构构件的交货日期也要提前。

（二）受力分析

1、轴力

在柱子承受的总轴力中一部分由柱翼缘（Nf）承担，其余部分传给混凝土。

由混凝土承担的轴力按下述方式传递:

柱的轴向压力，由柱脚底板传给其下混凝土，由混凝土对柱底板的承压力（Npn）抵抗;柱的轴向拉力，则是通过柱脚底板悬出部分传给其上方的混凝土基础，由混凝土的承压力（Npn）抵抗，或通过锚栓与混凝土的粘结力直接传给基础（Nbv）。

轴力传递路径如图2所示。

图2埋入式轴力

2、弯矩

埋入式柱脚通过混凝土对钢柱的承压力传递弯矩。

现存在两种弯矩的传力机制:

一种是将弯矩考虑为等效轴力Nm，并作用于翼缘。

柱子的轴心压力N由整个柱身截面承受，并认为Nm与N之和的1/3由整个截面传给底板，由底板承受，其余2/3由埋入段柱身表面栓钉与混凝土的粘结力传给混凝土基础;另一种认为全部弯矩由柱翼缘传给混凝土，由混凝土的承压力来传递荷载（图3）。

这两种传力机制的区别在于，前者栓钉起到重要作用，弯矩是通过栓钉的抗剪传给混凝土的，此时栓钉的抗剪承载力验算及其与混凝土的粘结力显得尤为重要，这种机制适用于小偏压状态;后者认为弯矩由柱翼缘的承压直接传给混凝土，此时要进行混凝土的抗压强度验算。

虽然栓钉在这种传力机制下作用不明显，但为了保证柱脚的整体性，仍应设置栓钉。

这种机制适用于大偏压状态。

图3埋入式弯矩

对比弯矩的两种传力机制，将它们进行比较，比较结果见表1。

表1埋入式柱脚弯矩的两种传力机制

3、剪力

通过法兰与基础或基础梁混凝土支承压力传递剪力柱水平。

通过对混凝土柱腹板加劲肋和传递上部柱在钢柱的轴向加劲压力，平衡。

水平剪力在梁基础梁的轴力，柱的作用力，在周围的混凝土应力状态是非常有利于锚固钢柱。

（三）设计原则

1、由于钢柱的存在使基础梁上皮钢筋不好贯通，所以要在钢柱埋入部分的顶部对应部位设置腹板和加劲肋，翼缘外侧焊接钢板。

2、考虑钢柱与混凝土的粘结，为防止埋入部分和周围混凝土有较大的分离，可在埋入部分焊上栓钉。

3、钢柱周围的混凝土地梁的钢筋要加密，以防止在往复的地震荷载作用下发生混凝土的压碎。

4、边柱和角柱柱脚周边的混凝土，受到柱底部的弯矩和剪力的作用，产生很大压力，为防止冲切破坏，要保证有足够的混凝土外包层厚度，一般不小于250mm。

而中柱此问题不大，一般不小于180mm。

三、插入式

基础上留杯口，将柱插入，在钢柱与基础杯口之间通过浇筑细石混凝土固定钢柱，当柱在荷载组合下出现拉力时，可采用预埋锚栓或柱翼缘设置焊钉等方法（图4）。

插入式为埋入式的整体装配式。

传力方面，与埋入式中的大偏压类似，由混凝土的承压力将荷载传递给基础。

图4插入式柱脚构造及受力

（1）特点

柱脚板件少，制作简单，焊接工作量小，且焊接要求低，构造简单，便于安装和施工，解决了现浇式柱脚施工难度大、工序多的弊病。

但其可靠性不如现浇式。

（2）设计原则

钢柱在基础杯口上方70～120mm高度处应设腹板加劲肋;钢柱翼缘与基础杯口侧面的距离为30～100mm;钢柱底板与基础杯口底面的距离为30～70mm;钢柱插入杯口的深度不小于1.5h及l/20（h为柱截面高度，l为钢柱长度）。

四、外露式

将柱底部与相对刚度较大的底板焊接连接，底板用预埋在混凝土基础中的锚栓固定（图5，6）。

图5外露式柱脚构造

图6刚接外露式柱脚

（一）特点

外露式柱脚是通过锚栓将柱脚底板连同柱构件的下端和混凝土结构的基础相连接形成的柱脚。

这种柱脚在混凝土基础中首先预埋锚栓，主要是因为柱子可以在混凝土达到强度后再吊装，基础梁的配筋等施工作业和钢柱的吊装可以分别进行，所以外露式柱脚有施工简单并且能有效缩短工期等优点。

除高层建筑外，大部分中小规模的钢结构都利用此优点而采用外露式柱脚。

但此柱脚的刚度和承载力等力学性能比其他柱脚形式偏低。

多层钢结构住宅柱脚不宜采用这种柱脚，因为这种柱脚的抗震性能欠佳。

外露式柱脚主要承受弯矩、剪力、和轴力，一般锚栓承受拉力，压力由柱脚底板和混凝土基础的接触面传递，剪力不能由锚栓承担，而由底板和基础接触面的摩擦力传递，如果摩擦力不足可以通过设置抗剪键的方式来承担柱底的剪力。

（二）受力分析

1、轴力

柱身传来的压力首先经过柱身和底板间的四条焊缝传给底板，再由底板把压力传给混凝土基础。

因为底板与混凝土之间不能承受拉力，当底板出现拉力时，由嵌固在基础中的锚栓来承担。

2）剪力

铰接型的剪力主要由柱脚底板与其下部的混凝土之间的摩擦力来承担，过大的剪力也由抗剪键来承担。

一般不利用锚栓来承受剪力。

3）弯矩

由柱底板直接传给基础，通过混凝土的承压抵抗;由弯矩产生的拉力通过锚栓的受拉抵抗。

（三）设计原则

1，由于混凝土的强度远低于钢，所以必须在柱脚加一个较大的板块，增加接触面积的基础上的抗压强度，使底座的顶面设计的压应力不大于混凝土的价值。

底部的厚度一般不应小于20毫米，且不应小于钢柱翼缘厚度。

通过计算地板尺寸

确定。

2，刚性锚栓承受底张力，因此应根据锚栓直径计算确定，且不应小于24毫米，必须有足够的埋深以保证有足够的粘结力，锚杆和混凝土之间的张力，使不被拉出。

3，锚杆的铰链柱不能承受水平剪力，与底板和混凝土有限之间的摩擦，所以如果剪力和柱轴力偏大（0.3倍以上）应设置抗剪键。

4，为了便于安装在底板上的地脚螺栓孔调整，螺栓杆直径应大于0.2~0.5倍，或做成U型缺口，将安装到位，底板与底板焊接固定。

由于底部孔较大，应设置地脚螺栓螺母板，并采用双螺母。

5，铰链柱不承受弯矩，地脚螺栓安装在法兰内，一般两或4；刚性锚栓应设置在法兰外侧，一般超过4，而且还应设置加强筋，加强柱刚度。

负载大，嵌入的要求较高，应加支架（图5）。

6，为了保证柱的承载力，柱翼缘和底板应全熔透坡口对接焊缝连接。

五、外包式

将钢柱直接置于地下室墙或基础梁顶面，并在钢柱底部相当于柱子截面高度2.5～3倍范围内，用钢筋混凝土包裹（图7）。

图7外包式柱脚构造

（一）特点

外包式柱脚，是在钢柱底部的外侧用钢筋混凝土包裹起来，其截面的构成为钢骨混凝土结构并且与非埋入式柱脚相同。

因为钢结构柱没有必要预先埋入混凝土基础内所以其施工性较好，柱脚的固定性也高。

但由于外包部分的截面变大楼面的有效面积减少，且受装修上的影响，采用此种形式的建筑物的用途会有限制。

工厂、仓库、停车场等为防止车辆、叉车碰撞时，对柱进行保护而采用外包式柱脚。

此外，屋外受雨淋的柱构件或地面使用水的建筑的柱构件进行外包后可以期待其防锈作用。

（二）传力

外包式柱脚的传力机制与埋入式相似。

在外包式柱脚中，栓钉起重要的传力作用，这种柱脚的力学行为主要由外包钢筋混凝土的力学行为决定（图8）。

图8外包式传力简图

1、轴力

轴向压力，由柱脚底板传给混凝土;轴向拉力则是通过柱脚底板悬出部分将其上混凝土的反向压力传给混凝土基础，或通过锚栓、外包垂直纵向主筋与混凝土的粘结力直接传给基础。

其中一部分由纵向主筋承担，由于布置了栓钉，必然有一部分轴力传到混凝土上，因此钢柱在外包钢筋混凝土高度范围内的轴力向下逐渐减小，而钢筋混凝土承担的轴力逐渐增大。

2、弯矩

柱脚顶部弯矩由柱两侧翼缘的受拉、受压来平衡，翼缘由此承受的轴向力有一部分又通过栓钉的抗剪传给外包的钢筋混凝土，再传给钢筋混凝土基础或基础梁。

因此，柱脚外包部分的弯矩由两部分平衡:

柱脚两侧翼缘的轴向力及外包混凝土的受力。

两者所承受的弯矩要按照各自的抗弯刚度进行分配:

由于钢筋混凝土在钢柱外围，其截面惯性矩大于钢柱，因此外包钢筋混凝土的抗弯刚度大于钢柱

的抗弯刚度。

所以在外包部分钢柱弯矩下降，外包混凝土弯矩上升，并且弯矩大部分由外包混凝土承担。

由于柱脚底部近似于铰接，所以近似认为在柱脚底部弯矩全部由混凝土承担。

3、剪力

主要由外包钢筋混凝土和箍筋共同承担，即由腹板承受剪力，通过栓钉的抗剪及柱脚周围的箍筋传给外包混凝土及其中的主筋，再传给基础。

在柱脚外包部分，钢柱承担的弯矩是下降的，而剪力是弯矩的导数，因此剪力在外包部分是反号的，即钢柱在外包部分承受反向剪力。

（三）设计原则

1、外包式柱脚的设计，将轴力通过钢柱脚部的底板传给基础；弯矩和剪切力通过外包式构件混凝土部分来传递。

计算其最大弯矩承载力时，可以将钢柱脚部的负担承载力加上去。

2、外包式柱脚的高度，大于钢柱截面高度的2.5倍，并且l/d>=1。

这里l为从底板下侧至外包式钢筋混凝土的最上侧箍筋为止的距离，d为从压缩i压缩边线至钢筋的重心距离。

3、外包钢筋混凝土纵向主筋的锚固长度大于25d（d为异形钢筋的公称直径），顶部需设弯钩。

外包钢筋混凝土的主筋必须充分锚入基础或者基础梁内。

4、外包钢筋混凝土部分，至少应设置与一般钢筋混凝土柱同等配置的剪切补强筋（箍筋）。

其箍筋的直径、间距及箍筋的配筋率的最小值根据《钢筋混凝土设计规范》设计，纵向主筋顶部至少配两道箍筋，其间距30-50mm。

5、底板下侧位置为基础梁的上侧位置，底板及锚板按外露式柱脚设计。

6、柱子若采用中空截面钢管时应注意确保钢管壁不发生局部变形而进行设计。

尽管，混凝土外包部分的柱外侧焊接了栓钉，因为从实验中证实了其承载力和变形能力的上升很小，可以忽视其效果。

6、适用范围

一般情况下，外露式柱脚一般用于传递垂直荷载的铰接柱脚；而对于高层钢结构或一些大型工业厂房的柱脚宜采用外包式柱脚或埋入式柱脚。

钢结构柱脚的设计和构造措施在整个建筑结构非常重要。

一般中低层钢结构建筑物的基础都是钢筋混凝土结构，因此柱脚为两种不同类型的结构连接部位，地震作用下，大多数钢结构柱脚的损坏多是由不适当的设计和施工引起的，因此我们要足够重视。

对于高层钢结构和大跨钢结构，一般宜选用埋入式柱脚。

同时在结构设计当中，要根据建筑物的类型选择合理的柱脚连接形式，做好构造处理措施。

七、结论

（一）总结对比

埋入式柱脚将柱刚度将埋在混凝土中的大型地下室或基础梁，使钢柱的底部和易于满足形成塑性铰的要求，扎实的埋入式柱脚的容易保证刚度，并具有良好的抗震性能。

但由于施工应预留孔的基础上，具有一定难度的施工技术。

列可用于抗震性和大的结构刚度的要求。

用于装配铸式柱插入，具有结构简单，安装方便，节省钢材等优点，节点刚度。

插入列的刚度，而且还解决了埋入式柱脚施工难度大的缺点，多程序。

一个单一的植物，特别是钢柱钢筋混凝土转换层型钢，使用插件要比埋显著优势，外包工作的协调，进度，施工方面，值得推广。

但其可靠性，嵌入式，推荐用于单层厂房，不适合高层钢结构。

虽然有型钢混凝土柱基础包，但由于柱底座和底座通过深埋钢筋和锚栓连接，并与钢柱和更多的形式。

由于混凝土保护外包限制厚度使柱及基础嵌入嵌固。

但是，施工简单嵌入式。

暴露的柱基与柱底座的另两种，现场安装方便，定位是在建筑方面的优势。

但由于地板的尺寸越大，在建筑的治疗更加困难，还应设置桩靴在必要的时候。

僵化的形式是由嵌入锚基础的实现，联锁和刚度不能得到很好的保证。

（二）建议

对比分析了以上，并与钢结构设计的参考代码，给出以下建议：

1，钢筋混凝土组合结构高层建筑结构、大跨度空间钢结构，12层框架柱脚反力钢框架结构是大，应该采用嵌入式钢柱；柱中的混合结构的抗震设计应采用埋；型钢混凝土柱应采用嵌入式。

2，框架高度较高，目前较大的应采用外包或嵌入。

3，抗震设计，6，7度的地区可以采用外包型柱，但8度及以上应采用埋。

不应使用铰接柱，并应确保全截面屈服柱子的承载能力。

框架柱应采用刚性接触，当有条件时可采用外包。

4，当地下室的高层结构，可以采用外包钢柱基础。

只有把铰链柱竖向荷载可以使用暴露。

5，高层刚架柱和基础，采用刚性柱，轴心受压柱可设计为铰接柱。

6，插入式一般用于单层结构厂房，不适用于高层钢结构大厦。

参考文献

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